基于PMIPv6的傳感網(wǎng)移動(dòng)管理研究

馬 磊，孫懋珩

（上海同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]，是一種以數(shù)據(jù)為中心的長(zhǎng)距離傳輸網(wǎng)絡(luò)[2]。由低成本和低功耗的節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在軍事、醫(yī)療、教育、環(huán)境監(jiān)測(cè)、運(yùn)輸以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)扮演者越來(lái)越重要的角色[3]。

目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要受限制于兩個(gè)因素：首先，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)本身受限制于自身的協(xié)議和低功耗的特點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的“兼容”；其次，在許多實(shí)際的應(yīng)用情景中需要傳感器節(jié)點(diǎn)在大范圍內(nèi)移動(dòng)。例如醫(yī)療監(jiān)護(hù)，一些需要長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)的對(duì)象會(huì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，傳感器節(jié)點(diǎn)隨之在較大范圍內(nèi)移動(dòng)，因此需要合理的移動(dòng)管理策略實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)管理。

對(duì)于前者，通過(guò)6LoWPAN(IPv6 over Low power)協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)IPv6與WSN之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。而實(shí)現(xiàn)了“兼容”IP的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以參考已有的來(lái)自IPv6的移動(dòng)設(shè)備管理方案進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)管理。移動(dòng)IPv6技術(shù)充分利用了IPv6協(xié)議對(duì)移動(dòng)性的內(nèi)在支持[4]。

1 MIPv6和PMIPv6

文獻(xiàn)[5]介紹了移動(dòng)IPv6(MIPv6，Mobile Internet Protocol version 6MIPv6)和代理移動(dòng) IPv6協(xié)議(PMIPv6，Proxy MIPv6)各自的特點(diǎn)。MIPv6是基于主機(jī)的移動(dòng)管理協(xié)議，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（MN，Mobile Node）通過(guò)發(fā)送和接收大量的控制信息以確保通信的連續(xù)性以及減少丟包率，但是對(duì)于功率受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大量的控制信息的傳遞會(huì)導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)的能量利用率降低；PMIPv6是一種基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)管理協(xié)議，與MIPv6相比，PMIPv6協(xié)議中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧不需要支持移動(dòng)功能，整個(gè)切換由代理完成。

圖1和圖2是兩者的切換示意圖。比較而言使用代理處理路由切換信息的 PMIPv6協(xié)議由于不需要移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處理大量的移動(dòng)管理過(guò)程中的信令信息更適合能量受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖1 MIPv6切換示意簡(jiǎn)圖

圖2 PMIPv6切換示意簡(jiǎn)圖

2 基于代理的傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)管理策略

在 PMIPv6的基礎(chǔ)上提出一種基于代理的分層網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)管理策略。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

采用分層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)被分成不同的子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)通過(guò)一個(gè)邊界網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)；每個(gè)子網(wǎng)由不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)單元組成。單個(gè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為一個(gè)簇[6]，而簇是最小的網(wǎng)絡(luò)單元，簇由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)簇有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)（SMAG，Sensor Mobile Access Gateway），簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)自己所在的“簇網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行管理；這樣做的好處是在簇內(nèi)部，各節(jié)點(diǎn)之間可以使用IEEE802.15.4規(guī)定的16位短地址直接通信，只有在需要與外網(wǎng)進(jìn)行通行時(shí)才需要添加IP頭[7]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，不同的WSN網(wǎng)絡(luò)一起組成一個(gè)IP_WSN子網(wǎng)，子網(wǎng)通過(guò)一個(gè)邊界路由網(wǎng)關(guān)（SLMA，Sensor Localized Mobility Anchor）與互聯(lián)網(wǎng)中的路由器連接，由此實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的連接。

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 移動(dòng)管理策略

鑒于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用分層的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，移動(dòng)性有以下幾種情況：

1）單個(gè)節(jié)點(diǎn)在自己的簇內(nèi)移動(dòng)。移動(dòng)管理直接由該節(jié)點(diǎn)所在的簇的簇頭節(jié)點(diǎn)控制完成。

2）單個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)至本身所在的簇外但仍處于簇所在的子網(wǎng)。移動(dòng)管理通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)和邊界網(wǎng)關(guān)共同完成，這與 PMIPv6協(xié)議中的域內(nèi)切換方案相同。

3）單個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)至非己所在的子網(wǎng)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)一旦離開(kāi)所在的子網(wǎng)進(jìn)入新的子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)范圍，需要通過(guò)邊界網(wǎng)關(guān)作為代理，通過(guò)控制中心進(jìn)行“域間切換”。邊界網(wǎng)關(guān)A檢測(cè)到MN即將離開(kāi)自身網(wǎng)絡(luò)，便向互聯(lián)網(wǎng)中的控制中心發(fā)送消息，與此同時(shí)新的子網(wǎng)中的簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)檢測(cè)到有新的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到自身網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，該簇頭節(jié)點(diǎn)接收新的節(jié)點(diǎn)的同時(shí)向邊界網(wǎng)關(guān)B發(fā)送該MN節(jié)點(diǎn)的地址消息，網(wǎng)關(guān)B通過(guò)比較來(lái)自簇頭節(jié)點(diǎn)和控制中心的消息來(lái)確定新的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到自身網(wǎng)絡(luò)，之后發(fā)送消息更新節(jié)點(diǎn)的地址，并且通知控制中心進(jìn)行路徑更新；整個(gè)過(guò)程節(jié)點(diǎn)本身只需要檢測(cè)并且能夠連接到新的簇頭節(jié)點(diǎn)即可而不需要節(jié)點(diǎn)本身支持移動(dòng)協(xié)議。

4）整個(gè)簇網(wǎng)絡(luò)同時(shí)在自己所在的子網(wǎng)內(nèi)部移動(dòng)。

5）整個(gè)簇網(wǎng)絡(luò)向著非自己所屬的子網(wǎng)移動(dòng)。

最后兩種情景，整個(gè)簇網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)的情況可以只有簇頭節(jié)點(diǎn)參與移動(dòng)切換，這是因?yàn)榇貎?nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生變化。簇頭節(jié)點(diǎn)在更新自身的地址之后將新的IP頭在自己所在的簇內(nèi)部廣播由此來(lái)使得每一個(gè)簇成員獲得新的IP頭，這樣每個(gè)簇成員便可以確定新的IP路由路徑。在實(shí)際的應(yīng)用情景中，這種基于整個(gè)簇網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)的模型也較為實(shí)用；例如在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中，病人身體上的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以組成一個(gè)小型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是作為一個(gè)整體移動(dòng)的。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)的情況可以簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的PMIPv6模型： SMAG負(fù)責(zé)檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)及與邊界網(wǎng)關(guān)間進(jìn)行綁定注冊(cè)，而SLMA負(fù)責(zé)保持傳感器節(jié)點(diǎn)可訪問(wèn)并為傳感器節(jié)點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)前綴；這種移動(dòng)情況被視為“域內(nèi)切換”（移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在同一個(gè) SLMA域，連接不同的SMAG）。在不同子網(wǎng)的移動(dòng)由于會(huì)涉及到不同的SLMA稱(chēng)為“域間切換”。PMIPv6協(xié)議僅給出了移動(dòng)終端在SLMA域內(nèi)移動(dòng)的切換管理方案，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)至SLMA管理范圍之外的切換管理較為困難，因此通過(guò)增加了核心路由器來(lái)補(bǔ)充 PMIPv6域間切換的不足。涉及到域間切換時(shí)，核心路由器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)MN和SLMA的綁定。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

切換時(shí)延是移動(dòng)性管理的一項(xiàng)主要性能指標(biāo)，如果時(shí)延過(guò)大，會(huì)引起數(shù)據(jù)包過(guò)多丟失從而影響實(shí)時(shí)通信。本節(jié)通過(guò)對(duì) 2.1節(jié)提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型結(jié)合2.2節(jié)的移動(dòng)情況（MN移動(dòng)到不同的子網(wǎng)）分別采用MIPv6協(xié)議和PMIPv6協(xié)議進(jìn)行仿真，比較兩者的切換時(shí)延。

3.1 切換時(shí)延分析

切換時(shí)間分析模型采用文獻(xiàn)[8]中所用的模型，如圖4所示，該模型定義了不同網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間的信令傳輸所消耗的時(shí)間。為了便于計(jì)算假設(shè)由通信終端（CN，Correspondent Node）到SLMA的時(shí)延是對(duì)稱(chēng)的，即CN連接到SLMA1和SLMA2所花費(fèi)的時(shí)間是相同的，同理假設(shè)核心路由器到SLMA的通信鏈路也是對(duì)稱(chēng)的。

圖4 切換模型示意

根據(jù)模型以及不同協(xié)議的特點(diǎn)可以得到不同協(xié)議的切換時(shí)延公式：

基于代理的方案不需要進(jìn)行地址檢測(cè)和 DAD過(guò)程，取而代之的是對(duì)將要連接的鏈路進(jìn)行初始化，這部分時(shí)延為：；因此最終產(chǎn)生的切換時(shí)延：

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

文獻(xiàn)[6]中提供的數(shù)據(jù)能真實(shí)的反映實(shí)際的應(yīng)用情況，參考其中的數(shù)據(jù)對(duì)本文的參數(shù)進(jìn)行初始化：；由于在切換發(fā)生時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN距離前一個(gè)SMAG和新的SMAG的物理距離相差并不大，MN與兩者的通信時(shí)延近似相等，所以這里取t1= t2=t= 1 0ms 。核心路由器可以視為CN與SLMA路徑上的一個(gè)接入路由器，不考慮路由器處理的時(shí)間，這里取個(gè)近似≈+。

如圖5所示，兩種方法的切換時(shí)延都隨著MN接入時(shí)延的增加而增大，但由于沒(méi)有花費(fèi)大量時(shí)間在DAD過(guò)程，基于代理的方案產(chǎn)生的時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外一種切換方案。

圖5 MN接入時(shí)延對(duì)切換時(shí)延的影響

最終的路由時(shí)延主要由CN與SLMA之間的通信時(shí)延決定。根據(jù)圖6的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)路由時(shí)延不斷增大的同時(shí)切換時(shí)延也在不斷增加，但基于代理的方案明顯優(yōu)于MIPv6切換策略。

圖6 路由時(shí)延對(duì)不同管理策略切換時(shí)延的影響

4 結(jié)語(yǔ)

采用分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在保持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身結(jié)構(gòu)獨(dú)立的前提下，實(shí)現(xiàn)單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)中的終端進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交互；通過(guò)一個(gè)核心路由器代理切換的方案完善了 PMIPv6協(xié)議中并不支持的域間切換，以此來(lái)支持提出的分層網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)管理；通過(guò)仿真分析可以發(fā)現(xiàn)基于代理的方案產(chǎn)生的切換時(shí)延明顯優(yōu)于MIPv6協(xié)議。

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